超导材料介绍课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,精品课件,第,*,页,超导材料介绍,1,精品课件,超导概述,超导电性的基本特征,超导材料的种类,超导材料的应用,超 导 材 料 简 介,2,精品课件,一、超 导 概 述,昂内斯,(,中间白衣者,),在他,所创立的低温实验室内,昂内斯,(1853,1926),荷兰低温物理学家,1908,年成功地液化了氦气，,1911,年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超导电性”现象，,于,1913,年获诺贝尔奖,。,Hg,In,Sn,Pb,4.15K,3.4K,3.7K,7.2K,氧,氮,氮,90.2K,77.3K,4.2/1.7K,3,精品课件,1957,年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论,(BCS),，于,1972,年获诺贝尔奖,。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。,4,精品课件,约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。,5,精品课件,1986,年缪勒和柏德诺兹发现了,钡镧,铜氧体系高温超导化合物。于,1987,年获得若贝尔奖,。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。,6,精品课件,金兹伯格 莱格特 阿布里科索夫,2003,年诺贝尔物理学奖,授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢,阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利,金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼,莱格特，以奖励他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。,7,精品课件,吴茂昆,朱经武,赵忠贤,陈立泉,钇钡铜氧化合物,1987,年,2,月，,92K,锶镧铜氧,(1987,年初，,48.6K),、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，铋系超导体,8,精品课件,二、超导电性的基本特征,Zero Resistance-No Power Loss,Meissner Effect-Act as Magnet,Critical Properties-T,c,J,c, H,c,Josephson Effects-Electron Tunnelling,9,精品课件,1.,零电阻效应,在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这一现象的温度叫超导转变温度,T,c,，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。,零电阻效应是超导态的一个基本特征。,不同导体的电阻,-,温度曲线,水银的零电阻效应,10,精品课件,2.,迈斯纳效应,处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。,超导体排斥力使永久磁环悬浮,11,精品课件,超导态为什么会出现完全抗磁性呢？,外磁场在试样表面产生感应电流（,b,）。此电流所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出（,c,），故称磁抗感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。,12,精品课件,超导体与理想导体的磁性质的区别,超导态是一个热力学平衡现象，抗磁性可逆；理想导体的这种磁性质与加场过程有关，不可逆。,13,精品课件,临界温度,T,c,临界磁场,H,c,临界电流密度,J,c,一些金属超导体临界磁场与温度的关系,维持超导状态的必要条件,3.,超导体的临界参数,14,精品课件,超导隧道结（约瑟夫森结）示意图,弱连接超导体：,S-I-S,两超导体中间的绝缘（真空，正常）层也能让超导电流通过的现象叫超导隧道效应。,4.,超导隧道效应,15,精品课件,电阻（率）,-,温度曲线，磁化率,-,温度曲线，比热容,-,温度曲线,物体是否为超导体的实验判据,16,精品课件,水银的零电阻效应,MgB,2,的,x,-,T,曲线,锡在正常态,(N),和超导态,(S),的比热容,实 例,17,精品课件,两类超导体,主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁场，即下临界场,H,c1,和上临界场,H,c,2,。允许磁场通过。,它们具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。这类超导体只有两个态，即低温超导态和正常态。主要是金属超导体。,第一类（,I,型）超导体,0,T,c,T,H,H,c,超导态,正常态,第二类（,II,型）超导体,18,精品课件,第二类超导体,H,T,T,c,N,H,c2,S,Meissner,Mixed,H,c1,第二类超导体的相图,0,0,=,=,r,B,0,0,=,r,B,19,精品课件,Flux penetrates above the,lower critical field H,c1,Superconductivity survives up to the,upper critical field H,c2,Type II,Most alloys, HTS, MgB,2,.,混合态,TT,c,0HH,c1,TT,c,H,c1,HH,c2,20,精品课件,超导现象的物理本质,1957,年由巴丁（,Bardeen,）、库珀（,Cooper,）和施里弗（,Sehriffer,）合作创建了超导微观理论,(BCS),。,库珀,电子对,库珀电子对通过格波相互作用，,其作用范围为,10,-6,10,-9,m,；,每个库珀电子对的总动量相当，,这是零电阻产生的根源；,材料变为超导态后，电子结为 库珀对，能量降低,2,，称其为 超导体的能隙。,21,精品课件,超导体的能隙,能隙随温度变化的曲线,0,2,D,正常态,超导态,费米能,正常态,超导态,费米能,D,2,能 量,T,0,K, 0,K,T,T,c,22,精品课件,三、超 导 材 料的种类,23,精品课件,周期表中的元素超导体,大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高临界转化温度,(9.2K),；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类,;,大多数超导合金和化合物则属于第二类。,24,精品课件,科学家,2002,年发现以钚为基础的新的超导体族,美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素研究所，以约翰,尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为,18.5K,时会变成超导体。,25,精品课件,合金超导体,组成元素都具有超导性,合金,Nb,3,Sn,NbTi,V,3,Ga,Nb,3,Ge,T,c,(K),18.1,9.5,16.5,23.2,组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性,合金,La,2,C,3,C,8,K,MgB,2,T,c,(K),5.911.0,9.5,39,26,精品课件,化合物超导体,27,精品课件,从应用角度对超导材料分类,强磁场（电）超导材料,超导电子材料（弱电）,高温超导材料,镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物,铌钛（,NbTi,）合金，,Nb,3,Sn,等金属间化合物,铜稳定化多芯扭绞,超导线材,Nb,3,Sn,的截面,1,2,3,4,T,c,=18.2K,超导微波器件（,YBCO,高温超导薄膜）,超导量子干涉器件（,SQUID,）,28,精品课件,（,1,）稀土,214,家族,。化学通式一般写为,(R, Ba),2,CuO,4-x,，,R,表示某一种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这个化学分子式中含两个（,R,，,Ba,）类原子，一个,Cu,原子，,4,个氧原子，所以被称为,214,结构。在晶格中，,R,和,Ba,的位置是等价的，所以这里把它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以在分子式中写成,O,4-x,。,这个家族的超导转变温度约为,36K,。,目前已被发现的高温超导体,铜基氧化物超导体分为五大家族,（,2,）稀土,123,家族,。化学通式为,RBa,2,Cu,3,O,7-x,，,R,同样表示某个稀土元素。至少有,13,种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这个家族的分子式中,金属元素的个数分别为,1,，,2,和,3,，所以人们把这三种家族称为,123,超导体家族。因为元素的增多，人们习惯上不再把氧原子写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是钇（,Y,），所以人们也常把,123,家族称为钇家族。,123,家族的超导转变温度为,90K,左右,。,29,精品课件,铋超导家族的化学通式为,Bi,2,Sr,2,Ca,n-1,Cu,n,O,2n+4,，,n=2,3,。也就是说这个家族有两个成员，即,Bi,2,Sr,2,CaCu,2,O,8,和,Bi,2,Sr,2,Ca,2,Cu,3,O,10,。习惯上称为铋,2212,相和铋,2223,相。,铋,2212,相的超导转变温度为,85K,，铋,2223,相的超导转变温度为,110K,。,在铋,2223,相中，如果用,Pb,少量地取代,Bi,，材料的超导性能会得到改善。,（,3,）铋超导家族,30,精品课件,铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。,第一个分族的分子通式为,Tl,2,Ba,2,Ca,n-1,Cu,n,O,2n+4,，,n=1,2,3,。这个家族有三个主要成员，即,2201,相，,2212,相和,2223,相。,2201,相（,Tl,2,Ba,2,CuO,6,）的超导转变温度为,90K,，,2212,相（,Tl,2,Ba,2,CaCu,2,O,8,）的超导转变温度为,110K,。,2223,相（,Tl,2,Ba,2,Ca,2,Cu,3,O,10,）的超导转变温度为,125K,。因,这一分族的每个成员的分子式里都含有两个,Tl,原子，在晶体结构上对应两个铊原子层,，所以人们又把这个分族叫做铊双层分族。,另一个分族的化学分子通式为,Tl(Ba,Sr),2,Ca,n-1,Cu,n,O,2n+3,，,n=1,2,3,。这个通式中的,(Ba,Sr),表示这个位置可以是,Ba,也可以是,Sr,。当这个位置的原子是,Sr,时，,Ca,可以被某一种稀土元素（,R,）部分取代。能参与取代的稀土元素达,15,种之多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个，即,1201,相，,1212,相和,1223,相。因为每个相的,(Ba,Sr),的位置都可以是,Ba,或者是,Sr,，所以结构上的三个相在化学组成上就分成了,TlBa,2,CuO,5, TlSr,2,CuO,5,；,TlBa,2,CaCu,2,O,7,，,TlSr,2,CaCu,2,O,7,；,TlBa,2,Ca,2,Cu,3,O,9,，,TlSr,2,Ca,2,Cu,3,O,9,6,个成员。而每个含,Sr,的成员的,Ca,又可以被稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因,这个分族每一个分子中只含一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为铊单层分族,。铊单层分族的,1201,相、,1212,相和,1223,相的超导转变温度分别为,45K,，,95K,和,120K,。,（,4,）铊超导家族,31,精品课件,汞超导家族的化学通式为,HgBa,2,Ca,n-1,Cu,n,O,2n+2+x,，,n=1,2,3,。因这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上有,+x,。这个家族的主要成员有,HgBa,2,CuO,4,，,HgBa,2,CaCu,2,O,6+x,和,HgBa,2,Ca,2,Cu,3,O,8+x,，即,1201,相、,1212,相和,1223,相，这三个相的转变温度分别为,85K,，,120K,和,133K,。其中,1223,相中的,133K,是迄今为止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。,高温超导体是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料，所以有的人将其称为陶瓷超导材料。,（,5,）汞超导家族,32,精品课件,33,精品课件,高温超导线材的制备工艺,34,精品课件,Nature,2001, 410, 63-64,MgB,2,35,精品课件,36,精品课件,37,精品课件,MgB,2,的结构,From O. Jepsen as appeared in Canfield et. al. Physics Today, March 2003, p.34,Hexagonal AlB,2,type structure (P 6/m m m),Alternating layers of hexagonal Mg and honeycomb B,38,精品课件,Fermi Surface,2D Bonding p,x,p,y,(,),3D Bonding p,z,(,),3D Antibonding p,z,(,),(quasi) 2D cylinders derived from s orbitals,3D sheets from p orbitals,two superconducting gaps:6.8 meV, 1.8 meV,39,精品课件,MgB,2,的性质,40,精品课件,沸石晶体内的超导纳米碳管,王宁博士,(,左）用电镜观察纳米碳管，旁为汤子康博士。,电镜下的纳米碳管,N. Wang, Z. K. Tang, G. D. Li, J. S. Chen,Nature,2000,408, 50,Science, 2001,292, 2462,T,c,= 15 K,41,精品课件,用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题；,用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；,用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。,从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：,四、超 导 材 料的应用,42,精品课件,1.,磁悬浮列车,中德总理乘坐上海磁浮列车,上海磁浮列车,43,精品课件,日本超导磁悬浮列车,MAGLEV,超导磁悬浮列车导轨,超导型磁悬浮列车,也称超导磁斥型,(Magnetically Levitated Trains,),44,精品课件,磁悬浮列车结构模型,45,精品课件,电磁悬浮系统（,Electro Magnetic System,）,:,依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列,.(,左图,),电力悬浮系统（,Electro Dynamic System,）,:,将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车,.,属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列,.(,右图,),磁悬浮系统类型,46,精品课件,2005,年,5,月,14,日，由西南交通大学研制的世界第一台高温超导磁悬浮列车首次公开亮相成都市首届科技节。,47,精品课件,2.,超群的超导磁体,超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。,由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得,10,万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗,3.5,兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。,超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。,48,精品课件,超导磁铁应用于国际空间站,阿尔法磁谱仪,(AMS-02),：寻找反物质、寻找暗物质和测量宇宙射线,49,精品课件,3.,高能量粒子超导加速器及碰撞器,超导回旋加速器等离子源,CEBAF,的电子质谱仪,50,精品课件,超导磁流体发电机以,C-5A,飞机运往莫斯科,4.,超导磁流体发电机,51,精品课件,5.,超导计算机,52,精品课件,6.,超导量子干涉仪,利用超导量子干涉元件（,SQUID,）结合电子、机械、低温、真空等技术来测量磁化率的精密仪器。,53,精品课件,7.,超导滤波器,54,精品课件,8.,离子回旋共振超导质谱仪,55,精品课件,9,、电力应用,高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。超导技术在电力中的应用主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。,56,精品课件,10,、育 种,农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。一般而言，,磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大,，其作用机制是：磁场基因酶代谢结构与功能。实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，其最终产量将能够提高,5-10%,。,57,精品课件,扫雷,11.,其它应用,超导电磁炮,超导芯片,超导飞船,医用,MRI,58,精品课件,